1.2 Мультипрограммирование в системах разделения времени

Повышение удобства и эффективности работы пользователя является целью другого способа мультипрограммирования – разделения времени. В системах разделения временипользователям (или одному пользователю) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность «общения» с пользователем. В системах разделения времени эта проблема решается за счёт того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они добровольно освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог.

Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран не большим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» системе. Кроме того, производительность системы снижается из-за возросших накладных расходов вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Это вполне соответствует тому, что критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя. Вместе с тем мультипрограммное выполнение интерактивных приложений повышает и пропускную способность компьютера (пусть и не в такой степени, как пакетные системы). Аппаратура загружается лучше, поскольку в то время, пока одно приложение ждет сообщения пользователя, другие приложения могут обрабатываться процессором.

1.3 Мультипрограммирование в системах реального времени

Еще одна разновидность мультипрограммирования используется в системах ре­ального времени, предназначенных для управления от компьютера различными техническими объектами (например, станком, спутником, научной эксперименталь­ной установкой и т. д.) или технологическими процессами (например, гальваниче­ской линией, доменным процессом и т. п.). Во всех этих случаях существует пре­дельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная управляющая объектом программа. В противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с дат­чиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответство­вать норме. Таким образом, критерием эффективности здесь является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называетсявреме­нем реакции системы, а соответствующее свойство системы — реактивностью. Требо­вания ко времени реакции зависят от специфики управляемого процесса. Кон­троллер робота может требовать от встроенного компьютера ответ в течение менее 1 мс, в то время как при моделировании полета может быть приемлем от­вет в 40 мс.

В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фик­сированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выпол­нение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ.

Способность аппаратуры компьютера и ОС к быстрому ответу зависит в основном от скорости переключения с одной задачи на другую и, в частности, от скорости обработки сигналов прерывания. Если при возникновении прерывания про­цессор должен опросить сотни потенциальных источников прерывания, то реак­ция системы будет слишком медленной. Время обработки прерывания в системах реального времени часто определяет требования к классу процессора даже при небольшой его загрузке.

В системах реального времени не стремятся максимально загружать все устройства, наоборот, при проектировании программного управляющего комплекса обычно за­кладывается некоторый «запас» вычислительной мощности на случай пиковой на­грузки. Статистические аргументы о низкой вероятности возникновения пиковой нагрузки, основанные на том, что вероятность одновременного возникновения большого количества независимых событий очень мала, не применимы ко мно­гим ситуациям в системах управления. Например, в системе управления атомной электростанцией в случае возникновения крупной аварии атомного реактора многие аварийные датчики сработают одновременно и создадут коррелирован­ную нагрузку. Если система реального времени не спроектирована для поддерж­ки пиковой нагрузки, то может случиться так, что система не справится с рабо­той именно тогда, когда она нужна в наибольшей степени.